【导读】现代高性能处理器和片上系统（SoC）通常集成精密的模拟前端和串行通信接口，对供电电源的质量提出极高要求。为确保信号完整性和系统性能，负载点电源的输出电压纹波常需低于2mV，这仅为常规开关电源设计的十分之一。
为满足高端处理器与SoC芯片对电源纹波的严苛要求，二级滤波器成为一种高效而紧凑的解决方案，可将输出电压纹波抑制到2mV以下。
现代高性能处理器和片上系统（SoC）通常集成精密的模拟前端和串行通信接口，对供电电源的质量提出极高要求。为确保信号完整性和系统性能，负载点电源的输出电压纹波常需低于2mV，这仅为常规开关电源设计的十分之一。
为在保持高效率的前提下满足这一严苛要求，电源设计人员需要在同步降压转换器后添加第二级LC滤波器。本文基于TI公司的三款不同控制架构的降压转换器，对比分析其在添加相同规格二级滤波器后的性能表现。
一、纹波挑战与解决方案
处理器技术快速发展对电源设计带来巨大挑战。当前许多先进SoC芯片要求电源电压纹波低于1.5mV（峰峰值），而传统同步降压转换器即使采用低ESR陶瓷电容，其输出纹波通常在5-10mV范围内。
二级滤波器架构通过在初级LC滤波器后增加第二级电感和电容，形成两级滤波网络，可显著衰减开关频率噪声。这种方法的效率远高于线性稳压器方案，尤其在大电流应用中优势明显。
测试平台采用12V输入、1V输出、15A负载的典型应用场景，使用三种不同控制架构的降压转换器：TPS548A28（D-CAP3架构）、TPS543B22（高级电流模式架构）和TPS56121（电压模式架构）。
二、二级滤波器设计参数
滤波器设计需要平衡性能与稳定性。所有测试均采用相同的二级滤波器元件参数：二级电感L2选用0.47μH，二级电容C2为2×220μF陶瓷电容，占用PCB面积仅为92mm²。
滤波器传递函数引入的双极点需要相应补偿控制环路，不同控制架构需采用不同的补偿策略。通过方程式L2 = (Vout×(1-Vout/Vin))/(ΔI×fsw)可计算二级电感值，其中ΔI为 inductor current ripple，fsw为开关频率。
测试中，三种转换器的开关频率均设置在500-600kHz范围内，以确保比较的公平性。二级滤波器的插入导致效率损失极小，但纹波抑制效果显著。
三、电压模式控制架构表现
电压模式控制采用外部补偿机制。TPS56121作为电压模式控制代表，使用外部3类补偿网络来处理功率级的双极点特性。
未加二级滤波器时，其输出纹波为4.8mV峰峰值；添加后纹波降低至1.9mV，降幅达60%。负载瞬态测试显示，在10A阶跃负载下，输出电压恢复稳定，无振铃现象。
电压模式架构的优势在于可通过调整外部补偿元件灵活应对二级滤波器引入的相移，但需要更多的外部元件和更复杂的环路设计。
四、D-CAP3控制架构性能分析
D-CAP3架构采用恒定导通时间控制。TPS548A28作为此类代表，利用一次性计时器生成与输入输出电压成比例的导通时间脉冲。
未加二级滤波器时，输出纹波为7.6mV峰峰值；添加后纹波降至2.3mV，降低约70%。负载瞬态响应测试表明，该架构在添加滤波器后仍保持稳定运行。
D-CAP3架构无需额外补偿电路，简化了设计流程。其内部纹波注入电路直接馈入比较器，降低了对输出电容ESR的要求。
五、高级电流模式架构特性
ACM架构融合多种控制策略优势。TPS543B22采用基于纹波的峰值电流模式控制，使用内部生成斜坡表示电感电流。
未加二级滤波器时，输出纹波为7.4mV峰峰值；添加后纹波显著降低至1.3mV，降幅超过82%。该器件提供三个可选的PWM斜坡选项，可优化二级滤波器应用时的环路性能。
值得注意的是，TPS543B22评估板直接预留了二级滤波器元件的焊盘，显示出TI对此技术的重视。负载瞬态测试结果显示出色的稳定性。
六、效率与尺寸权衡分析
二级滤波器带来的效率损失可忽略不计。测试数据显示，添加滤波器后，三种方案的效率下降均小于0.5%，功率损耗增加约0.02W。
与传统LDO后级稳压方案相比，二级滤波器在效率和成本上具有明显优势。为实现8A输出，并联两个4A TPS7A54 LDO需消耗1.4W功率（假设175mV压降），而二级滤波器仅增加0.02W损耗。
92mm²的额外PCB空间换来了纹波性能的显著提升，这一权衡对于对噪声敏感的应用场景是非常有价值的。
结语
三级滤波器技术为高性能处理器供电提供了一种高效解决方案。测试结果表明，三种控制架构均能稳定工作于二级滤波器配置，其中高级电流模式架构表现最为出色，将纹波降至1.3mV。
选择何种架构取决于具体应用需求：电压模式提供设计灵活性，D-CAP3简化了设计流程，而ACM则在纹波抑制和瞬态响应间提供了最佳平衡。二级滤波器以最小效率损失和空间成本，实现了传统方案难以达到的纹波性能。
三种控制架构的纹波性能对比
推荐阅读：
